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基于視覺(jué)與慣性定位的自主導(dǎo)航AGV裝置研發(fā)

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）是裝有自動(dòng)導(dǎo)航裝置，能夠沿規(guī)定的路徑行駛，在車(chē)體上具有編程和停車(chē)選擇裝置、安全保護(hù)裝置以及各種物料移載功能的搬運(yùn)車(chē)輛。廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、電子、紡織、食品、煙草、物流倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)和領(lǐng)域。 2016年中國(guó)AGV市場(chǎng)銷(xiāo)售量7350臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)12.08億元，同比增長(zhǎng)37.7%。2017年中國(guó)市場(chǎng)AGV銷(xiāo)量有望突破10200臺(tái)，同比增速超38%。特別是新一代完全柔性的AGV機(jī)器人將在各種場(chǎng)景下得到應(yīng)用，新的AGV增量市場(chǎng)正在醞釀過(guò)程中。當(dāng)前AGV主要導(dǎo)航方式為有軌導(dǎo)航（固定路徑）和無(wú)軌導(dǎo)航（柔性路徑）。傳統(tǒng)有軌導(dǎo)航AGV主要采用有軌導(dǎo)航方式，雖然簡(jiǎn)單易行、路徑跟蹤可靠性好，但靈活性和柔性差；新的激光導(dǎo)航方式，在應(yīng)用時(shí)具有更高的柔性，但目前大多數(shù)是采用反射板和三角定位原理進(jìn)行，其靈活性和柔性受到限制。無(wú)軌導(dǎo)航AGV不需要任何場(chǎng)地施工、具備自由路徑導(dǎo)航和智能避讓能力的AGV，越來(lái)越受到行業(yè)的重視，是重要發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。這種無(wú)軌的自主導(dǎo)航系統(tǒng)（自由路徑規(guī)劃和決策）具有更高的引導(dǎo)柔性，能夠更高效、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)。隨著車(chē)間物流和生產(chǎn)流程日益復(fù)雜多變，對(duì)柔性供送、自主規(guī)劃決策的新一代AGV需求迫切。本項(xiàng)目致力于開(kāi)發(fā)面向柔性物料搬運(yùn)、內(nèi)部物流的AGV機(jī)器人平臺(tái)，具有效率高，易于操作、使用靈活且安全等特點(diǎn)。項(xiàng)目研究的這種AGV是第三代柔性移動(dòng)機(jī)器人，綜合了激光、視覺(jué)、慣性定位和自主規(guī)劃決策技術(shù)，是未來(lái)的移動(dòng)解決方案。(智能化工具化)，適應(yīng)于巡檢和商城、賓館、醫(yī)院等場(chǎng)所的內(nèi)部配送。項(xiàng)目研究全新一代AGV屬于自主導(dǎo)航機(jī)器人，具備全柔性：無(wú)軌導(dǎo)航，不需要場(chǎng)地布設(shè)，全軟件化，應(yīng)用更廣（內(nèi)部物流、人機(jī)協(xié)作等）。具備自主性：自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障、自動(dòng)跟蹤、相互協(xié)作、自動(dòng)充電等智能決策。項(xiàng)目研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和市場(chǎng)前景。二、前期研究基礎(chǔ) 研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)工研究面向柔性物料搬運(yùn)和物流配送的新一代AGV機(jī)器人，服務(wù)于需混合導(dǎo)航與自由路徑功能的新興AGV市場(chǎng)，目前研發(fā)的這種AGV是第三代高級(jí)移動(dòng)機(jī)器人，綜合了激光、視覺(jué)、慣性導(dǎo)航和自主規(guī)劃決策與人機(jī)交互技術(shù)，是未來(lái)的移動(dòng)解決方案(智能化工具化)。累計(jì)完成投資150萬(wàn)元，已和廈門(mén)萬(wàn)久公司開(kāi)展省高校產(chǎn)學(xué)項(xiàng)合作目(基于視覺(jué)與慣性定位的AGV裝置研發(fā))，設(shè)計(jì)完成了AGV機(jī)器人樣機(jī)，正進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)可靠性與性能指標(biāo)的測(cè)試。當(dāng)前正在的研究工作和目標(biāo)是，進(jìn)一步完善AGV基本機(jī)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)激光SLAM、里程/IMU慣性定位、自主路徑規(guī)劃與跟蹤；對(duì)AGV的RGB-D視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)引導(dǎo)與目標(biāo)識(shí)別、跟蹤、避讓?zhuān)贿M(jìn)行終端控制軟件開(kāi)發(fā)，形成產(chǎn)品應(yīng)用解決方案。已發(fā)表的與項(xiàng)目相關(guān)的主要論文SCI論文5篇，EI論文20余篇。主要發(fā)明專(zhuān)利有：1. 仲訓(xùn)昱, 田軍, 龐聰, 彭俠夫, 曾建平. 基于前傾 2D 激光雷達(dá)移動(dòng)掃描的路面與障礙檢測(cè)方法. 國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（受理中）2. 仲訓(xùn)昱. 基于虛擬掃描與測(cè)距匹配的 AGV 激光 SLAM 方法. 國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?01710504910.7, 受理中）. 3. 仲訓(xùn)昱, 李躍亮, 彭俠夫. 面向智能車(chē)自主充電的柔性對(duì)接裝置. 國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?nbsp;201710389598.1, 受理中）4. 仲訓(xùn)昱, 王祥, 陳映冰, 彭俠夫. 基于 A*提取引導(dǎo)點(diǎn)的 AGV 路徑跟蹤與避障協(xié)調(diào)方法.國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?nbsp;201710043581.0, 受理中）5. 仲訓(xùn)昱, 李躍亮, 劉嘉偉, 彭俠夫. 一種面向智能車(chē)自主充電的柔性對(duì)接裝置. 國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利, 專(zhuān)利號(hào)： 201720606992.1 三、應(yīng)用技術(shù)成果（一）導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種全柔性自主式AGV機(jī)器人, 其導(dǎo)航控制系統(tǒng)如下圖所示，特點(diǎn)有： 1）采用這種模塊化的系統(tǒng)平臺(tái), 搭建激光導(dǎo)航AGV產(chǎn)品, 可實(shí)現(xiàn)降低制作成本30%-50%; 2）結(jié)合視覺(jué)/慣性定位和特殊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu), 支持各種場(chǎng)景下的使用、簡(jiǎn)易且節(jié)省人工成本。（二）地圖表示和基于A*提取關(guān)鍵路徑點(diǎn)的全局路徑規(guī)劃方法以AGV半徑障礙進(jìn)行膨脹，建立初始柵格地圖；通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估函數(shù)對(duì)障礙周?chē)?jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，獲得帶有風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的安全柵格地圖。在安全地圖上通過(guò)A*算法規(guī)劃全局路徑，在得到的全局路徑上提取關(guān)鍵路徑點(diǎn)。（三）基于位-姿交替控制的路徑跟蹤與避讓/運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方法研究了局部環(huán)境建模與自適應(yīng)窗口的實(shí)時(shí)避障方法，同時(shí)還研究了基于復(fù)合速度障礙法的分布式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，在各種移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人與AGV搬運(yùn)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)避讓的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中等具有很好的應(yīng)用前景。機(jī)器人以關(guān)鍵路徑點(diǎn)為引導(dǎo)點(diǎn)并不斷實(shí)時(shí)切換、更新引導(dǎo)點(diǎn)，進(jìn)行路徑跟蹤與障礙避讓的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。（四）基于地圖匹配的AGV激光SLAM方法虛擬掃描與測(cè)距匹配法：增量式創(chuàng)建柵格地圖，采用虛擬激光雷達(dá)掃描與基于測(cè)距的快速輪廓匹配。 LATTICE SLAM方法：綜合采用了高斯牛頓迭代法、地圖匹配表、概率地圖和高低兩層地圖等策略。（五）AGV系統(tǒng)特色設(shè)計(jì) 1)雙層控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。 2)基于ROS的軟件設(shè)計(jì)，采用NVIDIA 的TK1超級(jí)計(jì)算平臺(tái)作為主控計(jì)算機(jī)。 3)下位機(jī)功能模塊設(shè)計(jì)：處理實(shí)時(shí)性較高的任務(wù)，如里程計(jì)／IMU推算定位、安全速4)度控制、超聲波／防撞條避碰處理等。 5)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)：兩輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)＋兩輪隨動(dòng)”的四輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，比六輪機(jī)構(gòu)具有更好的地面適應(yīng)性；采用橡膠輪，減震和靜音效果好。 6)自動(dòng)充電對(duì)接裝置設(shè)計(jì)：通過(guò)柔性連桿的彎曲形變來(lái)實(shí)現(xiàn)充電接口和充電接頭的柔順對(duì)接。四、合作企業(yè) 廈門(mén)萬(wàn)久科技股份有限公司是一家集銷(xiāo)售、軟件研發(fā)、技術(shù)服務(wù)、加工技術(shù)整合為一體的高新技術(shù)企業(yè)。目前公司的經(jīng)營(yíng)范圍涉及CNC軟件開(kāi)發(fā)及數(shù)控系統(tǒng)銷(xiāo)售、CNC控制零件銷(xiāo)售及專(zhuān)業(yè)維修；工藝優(yōu)化、機(jī)臺(tái)升級(jí)與技術(shù)改造、工程配電與軟件優(yōu)化、專(zhuān)用機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、多軸機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、機(jī)臺(tái)精度檢測(cè)與校正優(yōu)化服務(wù)等。公司是國(guó)際知名生產(chǎn)制造企業(yè)——富士康的產(chǎn)品供應(yīng)商和技術(shù)服務(wù)商。

廈門(mén)大學(xué) 2021-04-11

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